10　真三維顯示技術在景觀環境實時表現中的應用展望*

童月恒 TONG Yueheng武漢理工大學，武漢430070 （Wuhan University of Technology ， 430070 Wuhan）

10真三維顯示技術在景觀環境實時表現中的應用展望*

童月恒 TONG Yueheng
武漢理工大學，武漢430070 （Wuhan University of Technology ， 430070 Wuhan）

真三維顯示具有真實感的數字景觀場景，觀察者以裸眼即可看到高清晰的立體圖像，而能產生身臨其境之感。該技術能夠展示一個最接近客觀現實的立體畫面，符合人們觀察世界的真實感受。基于現有景觀環境設計采用二維屏幕實現三維圖像顯示技術的局限性，研究探討了將真三維顯示技術應用于景觀環境實時表現中的可行性和技術性優勢，進而指出真三維顯示技術在景觀環境實時表現中實際的應用場景和應用價值。

真三維顯示技術；景觀環境；實時表現；應用展望

一、引言

現有景觀環境的渲染或演示技術，一般采用平面顯示或視差立體顯示裝置作為觀察平臺。平面顯示圖像在深度信息數據獲取方面存在缺陷，無法直接表達組織結構與空間結構［1］；視差立體顯示通常需要人佩戴眼鏡觀看，此種顯示方式存在的缺陷是：長時間觀看會讓人產生一定的眩暈感，圖像水平與深度的顯示比例容易失真，立體視區之間存在著一定的互擾，最佳視點偏少，獲得垂直視差亦很困難，無法實現360°環視［2］。其現有視差立體顯示成像系統則存在著再現深度小、視場角度小和成像范圍小等諸多難以克服的技術瓶頸，無法滿足三維顯示技術在實際景觀環境實時表現中的諸多應用需要。為了彌補平面配圖的缺陷，在實際的景觀環境實時表現應用過程中，通過配備實物模型以幫助表現景觀環境的實時狀況，不僅需要花費大量的時間與費用，而且攜帶困難。此外，根據實際需要對實物模型進行即時修改的難度也很大。

在現有的航空交通管制、軍事戰術和戰略戰場的顯示與重現、醫學診斷等應用領域，三維信息往往是結構性的——即視覺上屬于三維結構，也可說是數值性的超多維數據。現有三維顯示技術容易丟失第三維信息，無法顯示具有真實空間感的三維立體圖像［3］，只能夠算得上是“偽三維顯示圖像”。而真三維顯示技術則能夠克服傳統三維顯示技術的局限，滿足觀察者身臨其境的感覺，成了當今最佳三維顯示技術的解決方法。真三維顯示通過特有方式激勵體內部介質，產生可見光輻射而形成體像素。這些分散在三維空間的體像素相互關聯構成三維立體圖像，觀察者無需配戴任何立體眼鏡，就能看到一種帶有深度信息的視差圖像，即真實的三維立體圖像。

真三維顯示的圖像確實是存在于真實三維空間，能展示一個最接近于真實物體的立體圖像，符合人們觀察世界的真實感受，滿足所有對于觀察者所需要的生理與心理上的深度暗示［4］。通過真三維顯示系統可以進行全角度裸眼觀看［5］，較之現有的視差立體顯示技術，真三維顯示圖像更接近于最終的顯示目標。真三維技術通過特有的三維顯示器就可以直接顯示三維圖像，從多個角度直接觀看物體，類似于直接觀察身邊魚缸中游動的金魚。該技術展示的三維立體圖像既有心理景深又有物理景深。隨著科技水平的不斷提高，現有真三維顯示技術逐步實現了大尺度、高分辨率、全彩色、高亮度、實時顯示和人機交互的功能，已經能夠滿足景觀環境實時表現所需要的全局化、全維化、智能化和透明化等技術方面的要求。

二、真三維顯示技術概述

圖1　真三維顯示系統原理圖

1.真三維顯示的概念及原理

按顯示原理，真三維顯示可以分為靜態體顯示和掃描體顯示。靜態體顯示在一個相對固定的空間中產生體像素，主要采用紅外轉換方式。該系統中所使用的較高功率的紅外波段激光會對眼睛帶來一定的傷害，限制了其應用的范圍。基于體掃描的真三維技術則主要依靠機械結構的周期性運動來產生體像素。圖1左為基于旋轉LED （Light Emitting Diode）陣列真三維顯示系統原理圖，圖1右則為基于光掃描旋轉面的真三維顯示系統原理圖［6］。體掃描使用可見光成像，對眼睛無傷害，除掃描機械的結構限制外，體掃描空間尺寸不受其它因素制約。真三維成像除了和本文引言部分所述一般的三維成像不同之外，與現有的幻影成像與偽全息成像也有本質的區別。幻影成像和偽全息成像通常采用簡單的光學原理獲得影像浮空，都不能呈現立體畫面，而真三維成像能在空間上重構三維數據的實像，可在水平360°和垂直180°的位置進行觀看。

2.真三維顯示技術的國內外研究現狀

真三維顯示技術是當今國際信息電子產業的最前沿熱門研究方向之一。自從 20 世紀 40 年代以來，人們就提出了關于真三維顯示技術的設想，并不斷嘗試制作一些真三維顯示裝置，然而由于技術的限制一直沒有多大的進展。21世紀以來，由于激光、電子、計算機、信息等技術的高速發展，許多國家開始在真三維顯示技術方面投入了更大精力的研究，如美國、德國、日本、韓國和中國，都獲得了相當大的進展，其中尤以美國和德國取得的成果最為顯著。如美國斯坦福大學的3DTL實驗室（3D Technology Laboratory）率先研究出基于紅外激光二極管的真三維立體顯示系統［7］；美國的Actuality Systems公司開發出一種基于平面旋轉屏和高幀頻單投影機的360°可視的真三維顯示系統，通過對掃描體數據的重建技術獲得真三維圖像，該系統可以顯示逼真的 3D 圖像［8］；德國布倫瑞克工業大學的飛行器導航和控制所研制出旋轉面球狀顯示的真三維系統FELIX和FELIXH，已將其應用于飛行器的CAD/CAM設計之中［9］。

近年來，國內的浙江大學、中國科學院自動化研究所、華東師范大學、南京航空航天大學、上海大學、長春光學精密機械與物理研究所等單位都對真三維顯示技術進行了較為深入的研究，該技術正在走向成熟，并獲得了部分成果。浙江大學致力于基于 LED陣列的旋轉式三維顯示技術的研究，并在體素生成、圖像彩色顯示等關鍵技術上取得了巨大進展——圖1左圖為浙江大學研制的基于旋轉LED真三維顯示裝置，體顯示空間達292×165mm3，體分辨率達64×256×512，1 bit灰階；中科院自動化所研制出了高幀頻投影機和螺旋屏的真三維顯示裝置；北京理工大學也成功研制出基于多投機旋轉屏的真三維顯示系統；南京航空航天大學和中國科學院自動化研究所共同研制出如圖1右圖所示的基于光掃描旋轉面的真三維顯示Helix-3D樣機。

真三維立體顯示器的出現是三維顯示技術的又一次飛躍，它擺脫了視野的限制，真實地再現物體，觀察者如同置身于真實物體之前，這樣的視角效果正是許多領域所需要的。美國宇航局（NASA）將具有真實物理深度和全視景觀察的真三維球狀顯示技術應用到航空、宇航和地球科學等研究領域；美國 SPAWAR（The Space and Naval Warfare）系統中心將真三維立體顯示器應用于空中交通管制和潛水艇導航；在醫學方面，美國的Johns Hopkins Hospital 和 Georgetown University研究利用真三維顯示技術來診斷癌癥。隨著真三維技術發展和社會對大容量復雜信息要求的提高，真三維技術成果在醫學診斷與手術、軍事戰場環境、空中交通管制、教學演示等領域都得到了推廣應用。在醫學領域，利用真三維立體顯示技術可以清楚的從各個方位觀察身體器官，并且對感興趣的區域可以進行分割，單獨專門對其顯示，使醫生診斷更為準確；在微創手術方面，使用真三維顯示器顯示立體圖像，則可以使醫生了解待手術部位的細微狀況，從而準確進行手術，提高手術的成功率；在軍事領域，戰場可視化技術已經成為影響現代戰爭結局的關鍵性技術之一。真三維顯示技術更能準確地模擬當前的戰場環境，指揮員能夠多角度、多層次最大限度地了解戰場環境，有利于指揮作戰；在空中交通管制系統中，真三維立體顯示器可以用來補足兩維雷達顯示器在安全緊急觀察任務中所需要的性能；在科教領域，真三維顯示技術能夠達到通過實物模型進行講解的類似效果。此外，人們還開始嘗試將真三維立體顯示技術應用于廣告、娛樂等方面。

從國內公開的現有研究成果來看，真三維顯示技術在建筑與環境設計這一對三維立體圖像應用較多的領域卻還沒有得到應有的重視，所以未能得到深入的研究或者是推廣與使用。究其原因，可能是建筑領域相關技術人員對真三維圖像顯示技術發展狀況和應用前景缺乏了解。因此，將真三維顯示技術介紹給建筑與景觀環境設計等領域的相關技術人員，讓他們了解真三維顯示技術并切實將其用于建筑與景觀環境領域中，對推動建筑與景觀環境藝術設計的信息與商業化發展具有不可低估的意義。

三、真三維顯示技術應用于景觀環境實時表現中的可行性

1.真三維顯示技術的可視化過程

真三維顯示以復雜的光學系統及相應的控制算法為基礎，在真實三維空間中再現三維物體上各點的位置和光強信息；真三維立體顯示以適當方式激勵位于透明顯示體積內的物質，利用可見光輻射的吸收或散射形成體素，當體積內許多方位的物質都被激勵之后，便能形成由許多分散體素構成的三維圖像［10］。這樣的圖像浮現在觀察者所在的真實三維空間中，可多人、多角度、同時和裸眼觀察，且無需任何的助視儀器，符合人類在視覺觀察及深度感知方面的自然生理習慣。各點組合出三維物體的真實形貌，使觀察者產生強烈的真實感，從而形成真實的具有豐富深度信息的三維視覺。真三維立體顯示技術利用屏幕的旋轉和光投影等技術，將原來的一個個二維圖像合并成一個有真實立體感覺的三維圖像，使之看起來和真實物體沒有任何差別。不僅能提供其他顯示技術中的心理景深，而且還能提供真正的物理景深，可以直接觀察到具有物理景深的三維圖像。總而言之，真三維立體顯示技術圖像逼真、具有全視景和實時交互的優點。

因此，這種全新技術可以應用于與圖像處理和圖像顯示有關的諸多領域。需要肯定，基于真三維顯示的可視化系統在景觀環境實時表現中具有巨大的潛在優勢。

2.真三維顯示在景觀環境實時表現中應用的可行性及技術優勢

真三維顯示系統能演示靜態和動態景觀環境模型，呈現的虛擬物體具有較高的圖像分辨力，具有較大的顯示體積，支持人機互動。真三維立體顯示不受二維顯示平面的限制，能夠在三維空間中顯示具有物理景深的三維立體圖像。真三維顯示技術可在空間繪制模型圖像，利用此技術能夠將三維影像代替二維視圖，快速高效地展示更加直觀準確的信息，比如在景觀環境設計中即時展現景觀環境模型的分解、組合、展開和投影等過程［11］。真三維顯示技術可以即時展示模型的表面和內部結構，具有很強的感染力和表現力。基于此等優勢，可以將真三維顯示技術應用于景觀環境設計即時表現中，如此就能夠展示出具有真實感的景觀環境場景，進而獲得如下的效果。

（1）對景觀環境全景圖像信息予以精確表達；

（2）通過細化、放大，從不同維向了解設計對象關鍵區域范圍中的全維化圖像信息；

（3）通過安裝不同類型的圖像傳感器從多個角度觀察景觀環境，并利用真三維顯示操作系統方便多維度的切換功能顯示景觀環境，利用數據挖掘和圖像處理等智能手段，對高信息量的三維原始圖像進行分析、處理，實現景觀環境的在線修改及互動；

（4）真三維顯示技術所特有的物理景深可供多人觀察的三維表達方式，能使觀察者不會產生視覺偏差；

（5）通過一系列的智能化圖像信息處理，最大限度地將圖像信息轉化為設計判定依據；

（6）可以提高設計者的效果和效率。后期使用真三維立體顯示技術進行仿真也可以獲得更加直觀的圖像靜態和動態性能的仿真結果；

（7）實現無偏差和透明化全程圖像信息，通過可視化系統，達到如同身臨其境般的觀察體驗景觀設計效果。

由此可見，真三維顯示技術在景觀環境實時表現中有著巨大的潛在技術優勢，是目前其它可視化技術無法比擬的。故而將真三維技術應用于景觀環境實時表現既有可行性又具有極大的應用前景。

四、真三維顯示技術在景觀環境實時表現中的應用前景

目前，基于三維可視化技術的三維景觀設計，大多采用CAD與數字模型方法進行設計，在AUTOCAD環境下，生成景觀環境的三維工程模型，并在三維圖形軟件平臺下進行渲染和應用動畫等景觀表現手段的設計［12］。而設計單位的常規做法是將設計過程中獲得的平、縱、橫數據，經過專業的軟件（如3DMAX）處理后得到景觀環境模型，然后再通過添加數字環境模型與景觀，實現景觀環境的三維顯示［13］。即便如此，這種偽三維顯示設計需要專業的三維圖形技術人員的工作才能完成，而且在模型制作過程中離不開非常精細化的手工操作，當設計數據需要作絲毫修改和調整時，相應的三維效果圖必須推倒重來，這種重復工作造成了很大的人員、時間和經費的浪費，極大地影響了工作效率。

隨著真三維顯示技術的發展與成熟，利用真三維顯示技術對景觀環境進行實時三維可視化表現已成為可能［14］。現有的真三維顯示系統由圖形工作站、嵌入式真三維數據轉換單元、真三維顯示屏幕裝置、空間光學控制單元等構成。為了適應景觀環境的復雜度與表現真實度的要求，通過人機交互平臺，將采集到的二維信息經過計算機輔助設計，再經真三維圖形處理器進行相關運算，通過控制系統，轉變為可投射的真三維圖像所需格式直接傳送給投影機系統進行光學投射，即可實現真三維立體顯示。該系統既可進行多人、全角、裸眼立體觀看，也能夠實現與真三維顯示器中的三維虛擬物體進行人機交互，便于設計方案的及時修改。其中，真三維數據轉換器從圖形工作站獲取原始圖像數據，通過轉換器硬件進行原始圖像的圖像分割、三維建模和真三維采樣，通過嵌入式硬件算法來響應空間光學觸控器傳送的指令信息，最后把校正后的位置信息傳遞給真三維數據轉換器。采用OpenGL （開放性圖形庫）與ODI （圖像數據接口）來處理立體圖像數據信息，并經過編譯器與代碼的優化和開發，獲得一種具有高度智能化的應用軟件［15］。在設計軟件結構，開發流程與界面，不同類型模型的讀取方面相對容易。因此，該圖像處理技術對于相關景觀環境設計領域的技術專業人員相當適用。真三維顯示技術在景觀環境實時表現中可以應用在如下場合。

（1）建筑規劃方面。基于真三維顯示技術在交互性、實時性和立體性的優勢，可以開發超越傳統表現方式的創新性信息交流界面，使設計者不僅可以親身體驗真實的三維空間，還可以實時對三維場景進行修改調整，也可進行信息搜索和其他多媒體信息的集成應用等。應用真三維顯示技術能夠為規劃方案的比較推敲、思想內涵的擴展、設計特點突現和其他相關信息的展示提供一個絕佳的應用平臺［13］。觀察者通過與虛擬建筑規劃方案的場景及現實的交互作用，生動的體驗建筑規劃的整體環境，獲得更加完美的建筑規劃設計。

（2）景觀與環境設計方面。設計者通過人機交互，使之置身于虛擬的設計方案場景之中，體會身臨其境的感覺，并且實施交互，可以更加直觀地親身感受自己的景觀與環境設計方案，找出其中的不足與隱患，最終將景觀設計的特點充分展現出來［16］，特別是在小區景觀設計的應用領域具有非常好的發展前景和發展空間。

（3）景觀環境的實時展示方面。用戶通過接收和感受真三維顯示景觀與環境的各種感官信息，與其中虛擬的人及事物進行互動和思想交流，使用戶有身臨其境的體會［17］。觀察者能夠進行360°全視角觀察，在多維信息空間上構建一個開發虛擬的信息環境，讓用戶具有與環境完善的交互作用，產生身臨其境的沉浸感，并有助于加深體驗，實現真實三維環游［18］。

（4）建筑產品推介、建筑以及環藝教學等方面。三維顯示在建筑領域的商業銷售方面以及教學方面都有比較廣泛的應用前景。在小區銷售中，真三維顯示技術通過設計景觀真三維顯示能夠為廣大客戶提供更方便、更快捷的傳播產品信息的方式［19］。觀察者能夠通過真三維顯示系統實現在虛擬小區景觀中的行走、參觀，而且還是在任意角度、任意光線的條件下，這樣的表現方式徹底打破了傳統的被動觀察、無法互動交流等方式的局限性，為觀察者帶來了許多從來沒有體驗過的真實感和現場感。同樣，該技術在教學方面也可以增加受教育者的學習興趣，提高其理解能力。

五、 結論

針對真三維顯示的技術特點，結合國內外利用該技術在醫學診斷、軍事戰場環境等少數領域所取得的初步應用成果，根據景觀環境實時表現中對圖像顯示信息技術的要求，最終可以得出：真三維顯示技術在景觀環境實時表現中具有廣闊的應用前景。可以將該技術應用于景觀環境實時表現的三維可視化設計、展示漫游和交互操作等方面。相信該技術的應用能大大減少設計建模的工作量，對景觀環境三維建模技術的發展起到重要的推動作用。

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Application Prospect of Real 3D Display Technology on Landscape Real-time Performance

Real 3D display technology can display realistic digital landscape scene for the viewer to see high-defi nition 3D images with naked eyes and have an onsite experience. It displays a most real 3D picture to enable a true experience. Present technology is limited by the use of on 2D screen to display 3D images. The paper studies the feasibility and technical advantages of applying the real 3D display technology to the real-time performance of landscape design， and points out its potential application prospect in the real-time performance of landscape design.

real 3D display technology；landscape environment；real-time performance；application prospect

J0-05

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.02.010（0062-06）

2016-03-30

2015年度國家大學生創新訓練計劃項目（20151049716001）。

童月恒，武漢理工大學藝術與設計學院本科生。